JP5318693B2 - 燃料電池 - Google Patents

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Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層される複数の発電ユニットを備え、前記セパレータの電極対向面には、前記電極に沿って燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス流路が設けられるとともに、積層方向に貫通して前記反応ガスを流通させる反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔が設けられる燃料電池に関する。
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を、一対のセパレータによって挟持した発電ユニットを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電ユニットを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
上記の燃料電池では、一方のセパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路が設けられるとともに、他方のセパレータの面内に、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路が設けられている。また、互いに隣接するセパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が、前記セパレータの面方向に沿って設けられている。
さらに、この種の燃料電池では、発電ユニットの積層方向に貫通して燃料ガスを流すための燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔と、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔と、冷却媒体を流すための冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔とを内部に備える、所謂、内部マニホールド型燃料電池を構成する場合が多い。
内部マニホールド型燃料電池として、例えば、特許文献1に開示されている固体高分子型燃料電池が知られている。この燃料電池では、図7に示すように、上下方向に沿って複数のアノード側流路1が形成されており、前記アノード側流路1の上流側には、水分配基板2及びガス分配基板3が配設されている。水分配基板2及びガス分配基板3には、それぞれ複数の細孔2a、3aが形成され、前記細孔2a、3aは、アノード側流路1に連通している。
燃料電池の上部側両側部には、それぞれ一対の水導入用のマニホールド孔4a、4aと、燃料ガス導入用のマニホールド孔5a、5aとが形成されている。燃料電池の下部側両側部には、それぞれ一対の燃料ガス導出用のマニホールド孔5b、5bと、水導出用のマニホールド孔4b、4bとが形成されている。
水導入用のマニホールド孔4a、4aには、水ポンプ6から水が供給される一方、燃料ガス導入用のマニホールド孔5a、5aには、水素ガスボンベ7から燃料ガスが供給されている。水導出用のマニホールド孔4b、4b及び燃料ガス導出用のマニホールド孔5b、5bは、分離タンク8に連通しており、この分離タンク8に貯留される水は、冷却器9により冷却された後、水ポンプ6を介してマニホールド孔4a、4aに供給されている。
特許第3123992号公報
上記の特許文献1では、アノード側流路1を流通して反応に使用された燃料ガスに含まれる水は、マニホールド孔4b、4bに導出されて分離タンク8に送られる一方、この使用済みの燃料ガスに含まれる水は、前記分離タンク8に導入されて前記燃料ガスから分離されている。
しかしながら、アノード側流路1の下流側(下端部側)には、特に、水が滞留し易く、大量に発生した滞留水を確実に排出することが困難であるという問題がある。
しかも、燃料電池には、それぞれ一対の水導入用のマニホールド孔4a、4a、燃料ガス導入用のマニホールド孔5a、5a、水導出用のマニホールド孔4b、4b及び燃料ガス導出用のマニホールド孔5b、5bが設けられている。このため、燃料電池全体の構成が複雑化し、前記燃料電池が大型化するとともに、コストが高騰するという問題がある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、セパレータ面内から滞留水を容易且つ確実に排出させることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層される複数の発電ユニットを備え、前記セパレータの電極対向面には、前記電極に沿って燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス流路が設けられるとともに、積層方向に貫通して前記反応ガスを流通させる反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔が設けられる燃料電池に関するものである。
この燃料電池は、反応ガス流路の下流部位には、反応ガス排出連通孔に連通する出口バッファ部が設けられ、前記出口バッファ部に連通して生成水を排出するための排水連通孔が積層方向に形成されるとともに、前記反応ガス排出連通孔に連通する反応ガス出口マニホールドには、前記排水連通孔に連通する排出マニホールドの出口に、吸い込み口が連通するベンチュリが設けられている。
また、燃料電池は、発電ユニットの積層方向両端にエンドプレートを配設するとともに、一方の前記エンドプレートには、ベンチュリが一体に配置されることが好ましい。
さらに、ベンチュリは、ダイヤフラムを介して吸い込み口に連通する負圧室と加圧室とに区画されるとともに、反応ガス供給連通孔に連通する反応ガス入口マニホールドと前記加圧室とが連通することが好ましい。
本発明によれば、反応ガス出口マニホールドにベンチュリが設けられるとともに、前記ベンチュリの吸い込み口が、出口バッファ部に連通する排水マニホールドの出口に連通している。
このため、反応ガス出口マニホールドを流通する反応ガスの流速により、ベンチュリの吸い込み口に負圧が発生する。従って、排水マニホールドの出口が吸引され、前記排水マニホールドから反応ガス出口マニホールドに、生成水を円滑且つ確実に排出させることができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池の概略斜視説明図である。 前記燃料電池を構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図2中、III−III線断面説明図である。 前記発電ユニットを構成する第2セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池の要部断面説明図である。 前記燃料電池を構成するベンチュリの動作説明図である。 特許文献1に開示されている固体高分子型燃料電池の説明図である。
図1に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池10は、発電ユニット12を備え、複数の前記発電ユニット12が、例えば、水平方向(矢印A方向)に沿って互いに積層されてスタックを構成する。なお、発電ユニット12は、重力方向(鉛直方向)に積層されてもよい。
発電ユニット12は、図2及び図3に示すように、第1セパレータ14、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)16及び第2セパレータ18を設ける。第1セパレータ14及び第2セパレータ18は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した縦長形状の金属板により構成される。
第1セパレータ14及び第2セパレータ18は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第1セパレータ14及び第2セパレータ18は、例えば、カーボンセパレータにより構成してもよい。
電解質膜・電極構造体16は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜22と、前記固体高分子電解質膜22を挟持するアノード側電極24及びカソード側電極26とを備える。アノード側電極24は、カソード側電極26よりも小さな表面積を有する、所謂、段差型MEAを構成している。
アノード側電極24及びカソード側電極26は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜22の両面に形成される。
図2に示すように、発電ユニット12の長辺方向(矢印C方向)の上端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔(反応ガス供給連通孔)30a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔(反応ガス供給連通孔)32aが設けられる。
発電ユニット12の長辺方向(矢印C方向)の下端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔(反応ガス排出連通孔)32b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔(反応ガス排出連通孔)30bが設けられる。
発電ユニット12の短辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔34aが設けられるとともに、前記発電ユニット12の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔34bが設けられる。
第1セパレータ14の電解質膜・電極構造体16に向かう面14aには、燃料ガス入口連通孔32aと燃料ガス出口連通孔32bとを連通する燃料ガス流路(反応ガス流路)36が形成される。燃料ガス流路36は、矢印C方向に延在する複数の波状流路溝部36aを有するとともに、前記燃料ガス流路36の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部38及び出口バッファ部40が設けられる。
第1セパレータ14の面14bには、冷却媒体入口連通孔34aと冷却媒体出口連通孔34bとを連通する冷却媒体流路44の一部である複数の流路溝部44aが形成される。流路溝部44aの入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部46a及び出口バッファ部48aが設けられる。
第2セパレータ18の電解質膜・電極構造体16に向かう面18aには、図4に示すように、酸化剤ガス入口連通孔30aと酸化剤ガス出口連通孔30bとを連通する酸化剤ガス流路(反応ガス流路)50が形成される。酸化剤ガス流路50は、矢印C方向に延在する複数の波状流路溝部50aを有する。酸化剤ガス流路50の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部52及び出口バッファ部54が設けられる。
第2セパレータ18の面18bには、図2に示すように、冷却媒体流路44の一部である複数の流路溝部44bが形成される。流路溝部44bの入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部46b及び出口バッファ部48bが設けられる。
図2及び図3に示すように、第1セパレータ14の面14a、14bには、この第1セパレータ14の外周端縁部を周回して第1シール部材56が、個別に又は一体に設けられる。第2セパレータ18の面18a、18bには、この第2セパレータ18の外周端縁部を周回して第2シール部材58が、個別に又は一体に設けられる。
第1セパレータ14は、燃料ガス入口連通孔32a及び燃料ガス流路36を連通する複数の供給孔部60aと、燃料ガス出口連通孔32b及び前記燃料ガス流路36を連通する複数の排出孔部60bとを有する。
図4に示すように、第2セパレータ18は、酸化剤ガス入口連通孔30a及び酸化剤ガス出口連通孔30bと酸化剤ガス流路50との連通部分には、複数の入口側連結流路62a及び複数の出口側連結流路62bを形成する複数の受け部64a、64bが設けられる。
第1セパレータ14及び第2セパレータ18には、酸化剤ガス出口連通孔30b及び燃料ガス出口連通孔32bに近接して排水連通孔66、68が積層方向に形成される。排水連通孔66は、燃料ガス流路36の出口バッファ部40に連通して生成水を排出する一方、排水連通孔68は、酸化剤ガス流路50の出口バッファ部54に連通して生成水を排出する(図2及び図4参照)。
発電ユニット12同士が互いに積層されることにより、一方の発電ユニット12を構成する第1セパレータ14と、他方の発電ユニット12を構成する第2セパレータ18との間には、冷却媒体流路44が形成される。
図1に示すように、燃料電池10は、複数の発電ユニット12の積層方向一端には、第1ターミナルプレート70a、第1絶縁プレート72a及び第1エンドプレート74aが積層される。燃料電池10の積層方向他端には、第2ターミナルプレート70b、第2絶縁プレート72b及び第2エンドプレート74bが積層される。
長方形状に構成される第1エンドプレート74a及び第2エンドプレート74bは、矢印A方向に延在する複数のタイロッド(図示せず)により一体的に締め付け保持される。なお、燃料電池10は、第1エンドプレート74a及び第2エンドプレート74bを端板として含む箱状ケーシング(図示せず)により一体的に保持されてもよい。
第1エンドプレート74aの上部には、酸化剤ガス入口連通孔30aに連通する酸化剤ガス入口マニホールド(反応ガス入口マニホールド)80aと、燃料ガス入口連通孔32aに連通する燃料ガス入口マニホールド(反応ガス入口マニホールド)82aとが貫通形成される。第1エンドプレート74aの下部側には、酸化剤ガス出口連通孔30bに連通する酸化剤ガス出口マニホールド(反応ガス出口マニホールド)80bと、燃料ガス出口連通孔32bに連通する燃料ガス出口マニホールド(反応ガス出口マニホールド)82bとが形成される。
第2エンドプレート74bには、冷却媒体入口連通孔34aに連通する冷却媒体入口マニホールド84aと、冷却媒体出口連通孔34bに連通する冷却媒体出口マニホールド84bとが貫通形成される。
図5に示すように、第1エンドプレート74aには、排水連通孔68に連通する排水マニホールド86が形成される。排水マニホールド86は、一端が発電ユニット12の各排水連通孔68に連通するとともに、他端が水平方向(矢印A方向)から鉛直下方向(矢印C方向)に湾曲乃至屈曲して、酸化剤ガス出口マニホールド80bに開口する。
酸化剤ガス出口マニホールド80bは、酸化剤ガス出口連通孔30bから外方に向かって開口幅寸法が小さくなるようにテーパ状に形成される一方、第1エンドプレート74aには、排水マニホールド86のマニホールド出口86aに対向してベンチュリ88が配設される。
ベンチュリ88は、第1エンドプレート74aに一体化される筐体90を備える。筐体90内には、ピストン92が酸化剤ガス出口マニホールド80bに進退可能に収容されるとともに、前記ピストン92の先端側に設けられた受け部94と、筐体90の底面との間には、スプリング96が介装される。
酸化剤ガス出口マニホールド80bは、酸化剤ガス出口連通孔30bから外方に向かって開口断面積が減少するように、例えば、テーパ孔部を構成する。
スプリング96は、受け部94に当接することにより、ピストン92を酸化剤ガス出口マニホールド80b内に突出した状態で保持する。ピストン92の先端部には、小径な吸い込み口98が形成され、この吸い込み口98が酸化剤ガス出口マニホールド80bに開口する。ピストン92の後端部と筐体90の内壁面との間には、ダイヤフラム100が取り付けられる。
ベンチュリ88内には、ダイヤフラム100を介して吸い込み口98に連通する負圧室102と、加圧室104とに区画される。酸化剤ガス入口マニホールド80aと加圧室104とは、圧力管106を介して連通する。筐体90には、圧力管106が接続されるエアベンド部108が設けられる。
なお、燃料ガス流路36の出口バッファ部40に連通して生成水を排出する排水連通孔66は、図示しないが、上記の酸化剤ガス流路50の出口バッファ部54に連通して生成水を排出する排水連通孔68と同様に、排水マニホールドに連通するとともに、ベンチュリにより吸引される。
このように構成される燃料電池10の動作について、以下に説明する。
先ず、図1に示すように、第1エンドプレート74aの酸化剤ガス入口マニホールド80aから酸化剤ガス入口連通孔30aには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口マニホールド82aから燃料ガス入口連通孔32aには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。
さらに、第2エンドプレート74bの冷却媒体入口マニホールド84aから冷却媒体入口連通孔34aには、純水やエチレングリコールオイル等の冷却媒体が供給される。
このため、図2に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔30aから第2セパレータ18の酸化剤ガス流路50に導入される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路50に沿って矢印C方向(重力方向)に移動し、電解質膜・電極構造体16のカソード側電極26に供給される(図4参照)。
一方、燃料ガスは、図3に示すように、燃料ガス入口連通孔32aから供給孔部60aを通って第1セパレータ14の面14a側に移動する。燃料ガスは、燃料ガス流路36に沿って重力方向(矢印C方向)に移動し、電解質膜・電極構造体16のアノード側電極24に供給される(図2及び図3参照)。
従って、電解質膜・電極構造体16では、カソード側電極26に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極24に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
次いで、電解質膜・電極構造体16のカソード側電極26に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔30bに沿って矢印A方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体16のアノード側電極24に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部60bを通って第1セパレータ14の面14b側に導出される。面14b側に導出された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔32bに排出される。
また、冷却媒体入口連通孔34aに供給された冷却媒体は、図2及び図3に示すように、一方の発電ユニット12を構成する第1セパレータ14と、他方の発電ユニット12を構成する第2セパレータ18との間に形成された冷却媒体流路44に導入される。
これにより、冷却媒体入口連通孔34aから冷却媒体流路44に供給される冷却媒体は、矢印B方向に移動して発電ユニット12を冷却した後、冷却媒体出口連通孔34bに排出される。
この場合、本実施形態では、図5に示すように、酸化剤ガス出口マニホールド80bにベンチュリ88が設けられるとともに、前記ベンチュリ88の吸い込み口98は、前記酸化剤ガス出口マニホールド80bに突出して排水マニホールド86のマニホールド出口86aに連通している。
このため、酸化剤ガス出口マニホールド80bを流通する排出酸化剤ガスの流速により、ベンチュリ88の吸い込み口98に負圧が発生する。従って、排水マニホールド86のマニホールド出口86aが吸引され、前記排水マニホールド86が連通する排水連通孔68から酸化剤ガス出口マニホールド80bに生成水を円滑且つ確実に排出させることができるという効果が得られる。
さらに、排水連通孔68は、図4に示すように、酸化剤ガス流路50の下端部位(下流側)に連通する出口バッファ部54の下方位置に設けられている。これにより、反応生成水は、排水連通孔68に重力を介して排出され、各発電ユニット12の酸化剤ガス流路50から排出される生成水は、排水マニホールド86に吸引されて酸化剤ガス出口マニホールド80bに排出される。
また、燃料ガス流路36の生成水は、排水連通孔66に排出され、図示しない排出マニホールドからベルチェを介して燃料ガス出口マニホールド82bに円滑且つ確実に排出される。
ところで、ベンチュリ88では、加圧室104が圧力管106を介して酸化剤ガス入口マニホールド80aに連通している。このため、燃料電池10に供給される酸化剤ガスの流量が少ない際には、酸化剤ガス入口マニホールド80aの圧力が低下し、加圧室104に作用する酸化剤ガスの圧力が低下する。一方、酸化剤ガス出口マニホールド80bでは、流通する酸化剤ガスの流量が低下する。
従って、ベンチュリ88の吸い込み口98に発生する負圧が小さくなり、負圧室102と加圧室104との圧力差が減少する。これにより、ピストン92は、スプリング96の弾性力を介して、図6中、矢印C1方向(酸化剤ガス出口マニホールド80b側)に突出する。このため、ピストン92は、酸化剤ガス出口マニホールド80b側に大きく突出し、吸い込み口98は、排水マニホールド86のマニホールド出口86aに近接する。
この結果、酸化剤ガス出口マニホールド80bを流通する酸化剤ガスの流量が少ない際にも、吸い込み口98に負圧を発生させ、マニホールド出口86aから前記酸化剤ガス出口マニホールド80bへの生成水の吸い込み処理が良好に遂行される。
一方、酸化剤ガス入口マニホールド80aに供給される酸化剤ガスの流量が増大する際には、図5に示すように、圧力管106を介して加圧室104に導入される酸化剤ガスの圧力が増加する。さらに、酸化剤ガス出口マニホールド80bを流通する酸化剤ガスの流量が増大し、吸い込み口98から負圧室102に発生する負圧が大きくなる。
これにより、負圧室102と加圧室104との圧力差が増大し、ピストン92は、スプリング96の弾性力に抗して矢印C2方向(酸化剤ガス出口マニホールド80bから離間する方向)に移動する。従って、ピストン92により酸化剤ガス出口マニホールド80bの開口径が拡大し、酸化剤ガスの良好な流通が図られるとともに、マニホールド出口86aから酸化剤ガス出口マニホールド80bに生成水を良好に吸引することができるという利点が得られる。
なお、燃料ガス流路36では、酸化剤ガス流路50と同様に構成されており、上記と同様の効果が得られる。
10…燃料電池 12…発電ユニット
14、18…セパレータ 16…電解質膜・電極構造体
22…固体高分子電解質膜 24…アノード側電極
26…カソード側電極 30a…酸化剤ガス入口連通孔
30b…酸化剤ガス出口連通孔 32a…燃料ガス入口連通孔
32b…燃料ガス出口連通孔 34a…冷却媒体入口連通孔
34b…冷却媒体出口連通孔 36…燃料ガス流路
38、46a、46b、52…入口バッファ部
40、48a、48b、54…出口バッファ部
44…冷却媒体流路 50…酸化剤ガス流路
66、68…排水連通孔 74a、74b…エンドプレート
80a…酸化剤ガス入口マニホールド 80b…酸化剤ガス出口マニホールド
82a…燃料ガス入口マニホールド 82b…燃料ガス出口マニホールド
88…ベンチュリ 90…筐体
92…ピストン 96…スプリング
98…吸い込み口 100…ダイヤフラム
102…負圧室 104…加圧室
106…圧力管

Claims (3)

  1. 電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層される複数の発電ユニットを備え、前記セパレータの電極対向面には、前記電極に沿って燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス流路が設けられるとともに、積層方向に貫通して前記反応ガスを流通させる反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔が設けられる燃料電池であって、
    前記反応ガス流路の下流部位には、前記反応ガス排出連通孔に連通する出口バッファ部が設けられ、前記出口バッファ部に連通して生成水を排出するための排水連通孔が前記積層方向に形成されるとともに、
    前記反応ガス排出連通孔に連通する反応ガス出口マニホールドには、前記排水連通孔に連通する排水マニホールドの出口に、吸い込み口が連通するベンチュリが設けられることを特徴とする燃料電池。
  2. 請求項1記載の燃料電池において、前記燃料電池は、前記発電ユニットの積層方向両端にエンドプレートを配設するとともに、
    一方の前記エンドプレートには、前記ベンチュリが一体に配置されることを特徴とする燃料電池。
  3. 請求項1又は2記載の燃料電池において、前記ベンチュリは、ダイヤフラムを介して前記吸い込み口に連通する負圧室と加圧室とに区画されるとともに、
    前記反応ガス供給連通孔に連通する反応ガス入口マニホールドと前記加圧室とが連通することを特徴とする燃料電池。
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